玻璃纤维增强塑料在风力发电中的应用

2017-10-14

风能,作为一种无排放的能源用来发电,始终受到世界各国的重视。目前,各国正加快对风力发电研究的步伐,不断推出新的技术装备。风力发电机组,是指由叶片(风轮)、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电器系统等组成的发电装置。众所周知,要获得较大的风力发电功率,其关键在于要具有能轻快旋转的叶片。

1.玻璃纤维增强塑料在风力发电中的应用

叶片(风轮)的材质强度是风力发电机组性能优劣的关键。目前的叶片所用材质已由木质、帆布等发展为玻璃纤维增强塑料复合材料(玻璃钢)、金属(铝合金)等,其中玻璃钢新型复合材料叶片的重量轻,比强度高。玻璃钢的比重为1.5—2.0之间,只有钢材的1/4—1/5。比强度(强度与密度的比值)很高,比合金钢高1.7倍,比铝高1.5倍,比钛钢高1倍,比航空用松木高1.3倍。因此,玻璃钢叶片抗疲劳强度高,寿命也较长,在风力发电中的应用效果显著。例如,美国研制的挤压成型玻璃钢风力发电机组叶片成功地安装在55kW、200kW的大型风力发电机组上,常年运转正常。

日本三菱重工公司研制成功MWT—250型风力发电设备,其旋转控制系统采用能任意整定翼角的可变翼角系统,并由玻璃纤维增强工程塑料(玻璃钢)制成3枚叶片,能经受住常年运行考验,维持发电系统可靠性。该风车也能跟踪风向,达到额定输出功率。风车控制盘与微机相连接,实现了风车平稳起动、停止及各种控制的自动化。遇超速、油压降低、异常振动、发电机过载等异常情况时,风车安全装置能保证其安全迅速地停止运行。风车单机额定功率250kW,玻璃钢叶片直径25m,转速48r/min,额定风速为13.2m/s。

日本机械技术研究所利用杠杆原理开发的抗强风柔性结构风力发电系统引人注目。其叶片半径7.5m,采用玻璃纤维增强工程塑料制造,塔高15m、重3.2t。发电机组采用活络式转子,允许桨叶、轮毂摇动,能缓和空气动力负荷反复变动的冲击,以及高速气流引起叶片、轮毂部位的振动;玻璃钢叶片及轮毂具有优异的抗疲劳强度和韧性,工作寿命长。另外,由于采用了轴与叶片柔性连接的新结构,使强风时加到叶片上的力可减少50;又由于随着风力增强,该叶片的角度会自动变化,使风在叶片后方自行消减。借助这种结构,即使风速变化,风车也得到有效控制,维持80r/min的稳定转速,风速为8m/s~25m/s时可稳定输出15kW电力,可满足周围10户家庭的用电。发电系统的输出和转速的控制是通过在桨叶、轮毂部分安装调速机构进行节距控制来实现的。

柔性的适应风速变动的思想,贯穿于风轮机叶片、轮毂及其整个发电装置的设计中,从而发电机可以变速运行,即异步电动机在37.5~187.5的额定转速范围内运行,产生的电力,通过DC连接方式的电力转速装置,以50Hz额定频率并入电网。

日本荏原制作所推出的风力发电扬排水系统已投入运转,该系统由风力发电机,扬水泵、整流器等构成,风力发电机功率为72W~10kW,系统还可以与太阳能发电等组合使用,以利用再生能源。发电系统的另一特色是可靠性好,叶片材质采用玻璃纤维增强塑料复合材料;其互换性与通风性好,强度高,只需每年维修1次,轴承每10年更换1次。适合于农村排、灌水使用。

日本三菱重工制造的水平轴螺旋桨式可变叶片型风车颇具特色。它安装了测定风速的新型传感器件,塔高30m;安装长为14m的3块玻璃纤维增强工程塑料制叶片,在平均风速5.5m/s以上即可起动,当测出瞬间风速24m/s以上时立即停止运转,籍此以保护发电机组,当平均风速12.4m/s时发电功率可达250kW。

日本以新能源和产业技术综合开发机构为中心,正在开发高效利用风力的大型风力发电技术。在青森县龙飞岬的275kW风力发电装置采用了玻璃纤维增强塑料作为叶片,每片叶片全长12m,重量达1t。叶片在风速为6m/s时开始旋转,风速为13m/s时即达到额定功率270kW。然而,为了保护风力发电装置,当风速超过13m/s时即开始减速,当风速高达24m/s时,则叶片即自动停止旋转。

最近美国、德国、澳大利亚及欧共体国家研制的风力发电机组具有高效、灵巧、可靠性高等特色,采用了高科技的玻璃纤维增强工程塑料复合材料制造叶片,安装有变速装置及先进的电子控制装置。大型风轮机的叶片长度超过10m。投入运转的风力发电机单机功率已发展到500kW,有的已达到500~750kW,风轮直径达50m。而每台发电机组体积只相当于普通火力发电站的千分之一。

2.发展前景

国际能源机构预测,到2020年可再生能源将在全球能源消费中的比例达到30。面对即将到来的可再生能源时代,各国加强了对可再生能源的利用。丹麦的风力发电已达到总电力的18,而德国2002年风力发电已经占世界风力发电量的三分之一。法国计划在2025年风力发电达到发电总量的25。

我国风能资源开发潜力巨大,可开发总容量达到10亿KW,这样大的储量让国外不少专家也发出羡慕的惊叹。据新华社报道,目前中国已建成的风力发电能力为345MW。如内蒙古研制出50W~10KW系列风力发电设备,从1989年到1999年的10年中,仅内蒙古就实施了12个风力发电项目,装机总容量达45375KW。我国预计到2020年风力发电装机总容量达到2000万KW。

风力发电的设备投资往往占到项目总投资的70~80,而在风力发电设备中,最核心的部分是叶片。保定中航惠腾风电设备有限公司是我国唯一拥有自主知识产权、自行开发生产风力发电叶片的企业,是推动我国风电设备国产化的核心企业。2005年订单超过2亿元,2006年的定货合同已达3亿元。

我国政府近期颁布的《可再生能源法》、《国务院做好建设节约型社会重点工作的通知》与《京都议定书》等给新能源产业提供了强大支持。

从目前各国风力发电的发展趋势来看,到2010年,全世界风力发电的总装机容量可望达到3600万kW,风力发电市场前景诱人,玻璃钢在风力发电中的应用市场发展前景广阔。