Seleção de material de pá de turbina eólica

Seleção de material de pá de turbina eólica

As lâminas são um componente importante das turbinas eólicas. Transmite energia eólica ao rotor do gerador, fazendo com que ele gire e corte as linhas magnéticas de força para gerar eletricidade. Para garantir uma operação segura e de longo prazo em ambientes extremamente severos no campo, os requisitos para materiais de lâmina são: 1 baixa densidade e ótima resistência à fadiga e propriedades mecânicas, capazes de suportar condições extremas e cargas aleatórias (como tempestades). (etc.) garante uma operação segura por mais de 20 anos; 2 o custo (indicado com precisão como o custo alocado para cada quilowatt) é baixo; 3 a elasticidade da lâmina, a inércia da rotação e a característica da frequência de vibração são normais, e são transmitidas para o todo A estabilidade da carga do sistema de geração de energia é boa; 4 resistência à corrosão, resistência ultravioleta (UV) e resistência à queda de raios são bons; 5 custo de manutenção é baixo.

FRP pode satisfazer plenamente os requisitos acima e é o melhor material de lâmina de turbina eólica.

1.1GFRP

A maioria das grandes pás comerciais atualmente fabricadas é feita de plástico reforçado com fibra de vidro (GFRP). As características das lâminas GFRP são:

1 De acordo com as características de força das pás do ventilador, a resistência e a rigidez das pás do ventilador são principalmente a força longitudinal, isto é, flexão aerodinâmica e força centrífuga. A carga de flexão aerodinâmica é muito maior que a força centrífuga, e a tensão de cisalhamento gerada por cisalhamento e torção não é grande. Usando a teoria da força dominada pela fibra de vidro (GF), o GF principal pode ser colocado na direção longitudinal da lâmina, de modo que a lâmina possa ser mais clara.

2 aerofólio fácil de moldar, pode atingir a máxima eficiência aerodinâmica Para obter o melhor efeito aerodinâmico, usando a complexa forma aerodinâmica da lâmina, projete comprimento de corda de lâmina diferente, espessura, ângulo de torção e aerofólio em diferentes raios da roda eólica como a fabricação de metal é muito difícil. Ao mesmo tempo, as lâminas GFRP podem ser produzidas em massa.

3 O tempo de uso é de até 20 anos, pode suportar mais de 108 de carga alternada de fadiga. O GFRP tem maior resistência à fadiga, baixa sensibilidade de entalhe, grande amortecimento interno e bom desempenho sísmico.

4 Boa resistência à corrosão Como a GFRP tem resistência a ácido, álcalis e vapor de água, a ventoinha pode ser instalada ao ar livre. Especialmente para os parques eólicos offshore que foram desenvolvidos nos últimos anos, as turbinas eólicas podem ser instaladas no mar, de modo que as turbinas eólicas e suas pás experimentam o teste de vários climas.

A fim de melhorar o desempenho do GFRP, o GF também pode ser modificado por tratamento de superfície, dimensionamento e revestimento. Estudos realizados nos Estados Unidos mostraram que o uso de deposição de plasma por radiofreqüência para revestir o E-GF, sua resistência à tração e à fadiga pode atingir o nível de fibra de carbono (FC).

A característica de força da GFRP é que ela pode suportar alta tensão de tração na direção do GF, enquanto a força em outras direções é relativamente pequena.

A lâmina consiste em uma pele e um feixe principal. A pele é imprensada, a camada intermediária é de espuma rígida ou madeira de balsa, e as camadas superior e inferior são GFRP. A camada superior consiste em uma camada unidirecional e uma camada de ± 45 °. A camada unidirecional pode ser colocada com tecido unidirecional ou GF unidirecional, geralmente com tecido de 7 ou 4GF para suportar a tensão axial gerada pela força centrífuga e momento de flexão pneumático; a fim de simplificar o processo de moldagem, a camada de ± 45 ° GF pode ser omitida. O pano 1: 1GF é usado, que são colocados ao longo da direção axial para suportar a tensão de cisalhamento causada principalmente pelo torque, e são geralmente colocados no lado de fora da camada unidirecional. A forma estrutural do feixe pode ser uma estrutura em sanduíche ou uma estrutura sólida de GFRP. No entanto, a articulação da pele e do feixe principal, ou seja, a capa do spar, deve ser uma estrutura GFRP sólida. Isso ocorre porque a parte do feixe interage com a pele e o estresse é grande, e a força e a rigidez da pele devem ser asseguradas.

1.2CFRP

Com o aprimoramento da tecnologia de projeto de pás de turbinas eólicas, a geração de energia eólica está se desenvolvendo no sentido de alta potência e pás longas. Um aumento no comprimento da lâmina tende a aumentar a qualidade da lâmina. As estatísticas do comprimento da lâmina de 10 a 60 m indicam que a massa da lâmina aumenta no cubo do comprimento. O peso leve da lâmina tem uma influência importante na operação, na vida de fadiga e na saída de energia. Como a lâmina gera uma carga alternada devido à sua gravidade, a própria lâmina e a unidade estão fatigadas. A redução de peso da lâmina pode reduzir a qualidade da estrutura do cubo, da nacela, da torre e similares.

Para grandes lâminas, a rigidez é um grande problema. Para garantir que a ponta da lâmina não toque na torre sob cargas de vento extremas, a lâmina deve ter rigidez suficiente. Para reduzir a qualidade da lâmina e atender aos requisitos de resistência e rigidez, um método eficaz é usar plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP). O módulo de tensão do CFRP é 2 a 3 vezes o do GFRP. Lâminas grandes com reforço CF podem aproveitar ao máximo sua alta elasticidade e leveza. De acordo com a análise, o esquema de aprimoramento híbrido CF / GFRP pode reduzir o peso das folhas em 20% ~ 40%. De acordo com o plano de pesquisa financiado pela empresa européia EC, a adição de CF ao rotor blade de 120 m pode efetivamente reduzir a qualidade geral em 38%, e também reduzir o custo do projeto em 14% em comparação com o GF. Outra análise de estudo semelhante também apontou que a qualidade da pá do ventilador feita pela adição de FC será reduzida em cerca de 32% em comparação com o GF.

Atualmente, a maior lâmina de ventilador híbrido CF / GFRP do mundo é uma lâmina de 56m de comprimento desenvolvida pela Nodex para unidades de energia eólica offshore de 5MW. A Nodex também desenvolveu pás de ventiladores CF / GFRP de 43m (9,6 t) para unidades de 2,5MW em terra. A Enercon desenvolveu pás CFRP para uso em turbinas eólicas de 4,5 MW. Se o CF é aprimorado para grandes lâminas ainda é controverso. Algumas pessoas acreditam que a introdução da tecnologia CF na indústria de energia eólica é “peculiar” e cara, e deve ser evitada, se possível. No entanto, muitos engenheiros estruturais estão convencidos de que a regra da escala natural mostra que, à medida que o comprimento da lâmina aumenta, a massa aumenta mais rapidamente do que a extração de energia. Portanto, o uso de fibras híbridas CF ou CF / GF é necessário para suprimir o aumento de massa. Ao mesmo tempo, a fim de reduzir o custo da energia eólica, também é necessário desenvolver pás mais longas com rigidez suficiente.

A capacidade de usar CFRP em grandes quantidades nas pás do ventilador depende do preço do CF. Embora o desempenho do CFRP seja muito melhor do que o GFRP, e a lâmina ou toda a turbina eólica é a mais leve, o preço também é o mais caro. Mesmo se o preço do CF cair para US $ 11 / Kg, o preço do blade preparado com o CFRP ainda é muito alto. Portanto, estamos agora estudando em profundidade a partir de matérias-primas, tecnologia de processo, controle de qualidade, etc., a fim de reduzir o custo do CFRP.

Geralmente, o tipo menor de lâmina (por exemplo, 22 m de comprimento) é feito de uma grande quantidade de E-GFRP barato, e a matriz de resina é composta principalmente de um poliéster insaturado, e uma resina de vinil éster ou uma resina epóxi também ser usado. As lâminas maiores (como 42 m mais) geralmente usam CFRP ou CF / GFRP, e a matriz da resina é principalmente resina epóxi.