Auswahl der Windturbinenblätter
Blätter sind ein wichtiger Bestandteil von Windkraftanlagen. Es überträgt die Windenergie auf den Rotor des Generators, wodurch dieser sich dreht und die magnetischen Kraftlinien durchtrennt, um Strom zu erzeugen. Um einen dauerhaften und sicheren Betrieb in extremen Umgebungen im Feld zu gewährleisten, sind die Anforderungen an Blattwerkstoffe wie folgt: 1 Geringe Dichte und optimale Ermüdungsfestigkeit sowie mechanische Eigenschaften, die in der Lage sind, extremen Bedingungen und zufälligen Belastungen (z. B. Stürmen) standzuhalten (etc.) gewährleistet einen sicheren Betrieb für mehr als 20 Jahre; 2 Die Kosten (genau angegeben als die Kosten, die jedem Kilowatt zugewiesen werden) sind niedrig. 3 die Elastizität der Schaufel, die Trägheit der Drehung und die Schwingungsfrequenzcharakteristik sind normal und werden auf das Ganze übertragen. Die Laststabilität des Stromerzeugungssystems ist gut; 4 Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit gegen ultraviolette Strahlung (UV) und Schlagfestigkeit sind gut; 5 Wartungskosten sind gering.
FRP kann die oben genannten Anforderungen vollständig erfüllen und ist das beste Blattmaterial für Windturbinen.
1.1GFRP
Die meisten der heute erhältlichen kommerziellen großen Lüfterblätter bestehen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Die Eigenschaften von GFK-Klingen sind:
1 Entsprechend der Kraftcharakteristik der Lüfterblätter sind Stärke und Steifigkeit der Lüfterblätter hauptsächlich Längskraft, dh aerodynamische Biegung und Fliehkraft. Die aerodynamische Biegebelastung ist viel größer als die Fliehkraft, und die durch Scherung und Torsion erzeugte Schubspannung ist nicht groß. Unter Verwendung der Krafttheorie, die von Glasfasern (GF) dominiert wird, kann der Haupt-GF in der Längsrichtung der Klinge angeordnet werden, so dass die Klinge leichter sein kann.
2 Schaufelblatt einfach zu formen, maximale aerodynamische Effizienz erreichen Um die beste aerodynamische Wirkung zu erzielen, können Sie unter Verwendung der komplexen aerodynamischen Form der Schaufel unterschiedliche Schenkellängenlänge, Dicke, Torsionswinkel und Schaufelblatt bei verschiedenen Radien des Windrads, z Da Metallherstellung sehr schwierig ist. Gleichzeitig können GFK-Klingen in Massenproduktion hergestellt werden.
3 Die Nutzungszeit beträgt bis zu 20 Jahre, kann mehr als 108 Ermüdungswechsellast aushalten. GFK hat eine höhere Ermüdungsfestigkeit, eine geringe Kerbempfindlichkeit, eine große innere Dämpfung und eine gute seismische Leistung.
4 Gute Korrosionsbeständigkeit Da GFK säure-, alkali- und wasserdampfbeständig ist, kann der Lüfter im Freien installiert werden. Insbesondere für die in den letzten Jahren entwickelten Offshore-Windparks können die Windkraftanlagen auf See installiert werden, sodass die Windkraftanlagen und ihre Schaufeln verschiedene Klimatests erproben.
Um die Leistung von GFK zu verbessern, kann GF auch durch Oberflächenbehandlung, Leimung und Beschichtung modifiziert werden. Studien in den Vereinigten Staaten haben gezeigt, dass die Verwendung von Hochfrequenz-Plasmaabscheidung zum Beschichten von E-GF, dessen Zugfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit das Niveau von Kohlenstofffasern (CF) erreichen kann.
Die Kraftcharakteristik von GFK ist, dass es einer hohen Zugspannung in der GF-Richtung standhalten kann, während die Kraft in anderen Richtungen relativ klein ist.
Die Klinge besteht aus einer Haut und einem Hauptträger. Die Haut ist eingeklemmt, die mittlere Schicht besteht aus Hartschaum oder Balsaholz und die oberen und unteren Schichten bestehen aus GFK. Die Deckschicht besteht aus einer unidirektionalen Schicht und einer Schicht von ± 45 °. Die unidirektionale Schicht kann mit unidirektionalem Gewebe oder unidirektionalem GF, im Allgemeinen mit 7- oder 4GF-Tuch, gelegt werden, um der durch die Zentrifugalkraft und das pneumatische Biegemoment erzeugten axialen Belastung standzuhalten. Zur Vereinfachung des Formprozesses kann die ± 45 ° GF-Schicht weggelassen werden. Es wird ein 1: 1GF-Tuch verwendet, das entlang der axialen Richtung verlegt wird, um der hauptsächlich durch das Drehmoment verursachten Scherbeanspruchung zu widerstehen, und wird im Allgemeinen auf der Außenseite der unidirektionalen Schicht angeordnet. Die strukturelle Form des Trägers kann entweder eine Sandwichstruktur oder eine feste GFK-Struktur sein. Die Verbindung der Haut und des Hauptträgers, das heißt der Holmkappe, muss jedoch eine solide GFK-Struktur sein. Dies liegt daran, dass der Teil des Balkens mit der Haut interagiert und die Belastung groß ist und die Festigkeit und Steifheit der Haut sichergestellt werden muss.
1,2CFRP
Mit der Verbesserung der Konstruktionstechnologie von Windturbinenblättern entwickelt sich die Erzeugung von Windenergie in Richtung auf hohe Leistung und lange Blätter. Eine Zunahme der Klingenlänge erhöht die Qualität der Klinge. Statistiken der Klingenlänge von 10 bis 60 m zeigen, dass die Klingenmasse um den Würfel der Länge zunimmt. Das geringe Gewicht der Klinge hat einen wichtigen Einfluss auf den Betrieb, die Lebensdauer und die Energieabgabe. Da die Klinge aufgrund ihrer Schwerkraft eine wechselnde Last erzeugt, ermüden die Klinge selbst und die Einheit. Die Verringerung des Blattgewichtes kann die Qualität der Struktur der Nabe, der Gondel, des Turms und dergleichen verringern.
Bei großen Klingen ist die Steifigkeit ein Hauptproblem. Um sicherzustellen, dass die Blattspitze den Turm bei extremen Windlasten nicht berührt, muss die Klinge ausreichend steif sein. Um die Qualität der Klinge zu verringern und die Anforderungen an Festigkeit und Steifigkeit zu erfüllen, ist die Verwendung von kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) eine effektive Methode. Der Zugmodul von CFRP ist das 2- bis 3-fache des GFRP. Große Klingen mit CF-Verstärkung können ihre hohe Elastizität und ihr geringes Gewicht voll ausspielen. Gemäß der Analyse kann das CF / GFRP-Hybrid-Verbesserungsschema das Gewicht der Blätter um 20% bis 40% reduzieren. Laut dem von der europäischen Firma EC finanzierten Forschungsplan kann die Hinzufügung von CF zum 120m-Rotor mit Rotor die Gesamtqualität effektiv um 38% und die Konstruktionskosten um 14% im Vergleich zu GF reduzieren. Eine andere ähnliche Studienanalyse wies auch darauf hin, dass die Qualität des durch Zusatz von CF hergestellten Lüfterflügels im Vergleich zu GF um etwa 32% reduziert wird.
Derzeit ist das weltweit größte CF- / GFK-Hybrid-Lüfterblatt ein 56 m langes Blatt, das von Nodex für Offshore-Windkraftanlagen mit 5 MW entwickelt wurde. Nodex hat außerdem 43 m (9,6 t) CF / GFK-Lüfterblätter für Onshore-2,5-MW-Einheiten entwickelt. Enercon hat CFK-Schaufeln für den Einsatz in 4,5-MW-Windenergieanlagen entwickelt. Ob CF für große Klingen verbessert wird, ist noch umstritten. Einige Leute glauben, dass die Einführung der CF-Technologie in der Windenergiebranche "eigenartig" und teuer ist und wenn möglich vermieden werden sollte. Viele Bauingenieure sind jedoch überzeugt, dass die natürliche Skalenregel zeigt, dass mit zunehmender Klingenlänge die Masse schneller zunimmt als die Energieentnahme. Daher ist die Verwendung von CF- oder CF / GF-Hybridfasern erforderlich, um die Zunahme der Masse zu unterdrücken. Gleichzeitig ist es zur Verringerung der Kosten der Windenergie notwendig, längere Blätter mit ausreichender Steifigkeit zu entwickeln.
Die Möglichkeit, CFK in großen Mengen auf Lüfterflügeln einzusetzen, hängt vom Preis der CF ab. Obwohl die Leistung von CFK viel besser ist als die von GFK und das Blatt oder die gesamte Windkraftanlage das leichteste ist, ist der Preis auch der teuerste. Selbst wenn der CF-Preis auf 11 USD / kg fällt, ist der Preis der mit CFK hergestellten Klinge immer noch zu hoch. Daher untersuchen wir jetzt eingehend von Rohstoffen, Prozesstechnologie, Qualitätskontrolle usw., um die CFK-Kosten zu senken.
Im Allgemeinen besteht die kleinere Schaufelart (zum Beispiel 22 m lang) aus einer großen Menge an billigem E-GFRP, und die Harzmatrix besteht hauptsächlich aus einem ungesättigten Polyester und einem Vinylesterharz oder einem Epoxidharz auch verwendet werden. Die größeren Schaufeln (z. B. 42 m länger) verwenden im Allgemeinen CFK oder CF / GFK, und die Harzmatrix besteht hauptsächlich aus Epoxidharz.
