FRP在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

　　由于風(fēng)力發(fā)電向大功率、長(zhǎng)葉片方向發(fā)展，除了要求提高材料的性能之外，葉片結(jié)構(gòu)更要不斷地更新設(shè)計(jì)。比如，為了保證葉片與塔柱的間隙，除了提高葉片材料的剛度外，從設(shè)計(jì)角度可以在風(fēng)力作用的反方向?qū)⑷~片設(shè)計(jì)成預(yù)彎曲外形，然后在風(fēng)力作用下使預(yù)彎曲葉片變直。又如，在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用“彎曲·扭轉(zhuǎn)”耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)控制載荷和應(yīng)力，最終達(dá)到降低載荷峰值并減少疲勞破壞的目的。
　　目前市場(chǎng)上的風(fēng)機(jī)葉片基本上是預(yù)扭結(jié)構(gòu)，這樣可以使葉片在工作時(shí)能使所有旋轉(zhuǎn)部位都較大的升阻比（升力系數(shù)與阻力系數(shù)之比）。同時(shí)為了工藝方便，基本上都是沿著葉片軸向鋪設(shè)纖維。
　　“彎·扭”耦合是當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電機(jī)FRP葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要思想。為了提高葉片的性能，很多人提出了沿葉片長(zhǎng)度方向偏置一定角度鋪設(shè)單向CF層，稱之為“偏軸CF”，這樣可以通過(guò)“彎·扭”耦合效應(yīng)使結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力方向與CF的鋪層方向一致，發(fā)揮CF拉抻強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，提高結(jié)構(gòu)的安全性。但是這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也帶來(lái)了一定問(wèn)題：其一是偏軸纖維鋪層比較困難；其二是偏軸纖維會(huì)在蒙皮的結(jié)合部位發(fā)生斷層和扭曲，這會(huì)大大降低蒙皮粘合后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，很容易在鋪設(shè)纖維時(shí)產(chǎn)生剪切，這可能會(huì)在樹脂內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而使疲勞極限載荷降低。
　　 為了克服偏軸纖維的不利因素，在保留“彎·扭”耦合效應(yīng)、避免纖維斷層的基礎(chǔ)上，M Zuteck提出一種新穎的葉片結(jié)構(gòu)形式，采用“掃略式”的結(jié)構(gòu)使葉片尖部在弦線方向有一定扭轉(zhuǎn)角度，使葉片看起來(lái)像個(gè)“彎刀”狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可在工作時(shí)產(chǎn)生彎矩引起一定扭轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)控制載荷和應(yīng)力，最終達(dá)到降低載荷峰值并減少疲勞破壞的目的。
　　最近，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與圣地亞哥Knight＆Carver公司合作，研發(fā)設(shè)計(jì)出一種新型風(fēng)機(jī)葉片。研究人員承諾這種設(shè)計(jì)將會(huì)比目前的設(shè)計(jì)更有效，而且可以大幅度降低低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)機(jī)能源成本。這種名為“STAR”的葉片的最大特點(diǎn)是葉尖逐漸彎曲。這不同于目前使用的大多數(shù)巨大的葉片，是專門為低風(fēng)速地區(qū)設(shè)計(jì)的。這些低風(fēng)速地區(qū)高空10m處所測(cè)的年均風(fēng)速約為5.8m/s。美國(guó)低風(fēng)速地區(qū)很廣，這些地區(qū)對(duì)風(fēng)能的利用可使風(fēng)能的可經(jīng)濟(jì)利用面積增加20倍。Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室葉片設(shè)計(jì)研究負(fù)責(zé)人Tom-Ash-will稱，這種設(shè)計(jì)可以使葉片比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更有彎曲度，從而減少颶風(fēng)對(duì)葉片造成的損壞。
　　4  結(jié)語(yǔ)
　　FRP以其輕質(zhì)、耐腐蝕和高拉伸彈性模量一直是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片最理想的材料。近年來(lái)商業(yè)化生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)葉片尺寸增長(zhǎng)迅速，這為風(fēng)機(jī)從自然界中汲取更多能量提供更好的條件。隨著風(fēng)機(jī)葉片的大型化，勢(shì)必尋求葉片的輕量化及長(zhǎng)壽化，而GFRP在其強(qiáng)度等性能方面受到限制，因此在GF中加入性能更好的CF是必然趨勢(shì)。隨著全球?qū)G色能源的需求的不斷提高，風(fēng)電市場(chǎng)逐漸成熟和壯大，F(xiàn)RP在風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用前景也會(huì)越來(lái)越廣。