风电机叶片复合材料涂层必要性浅析

风电机叶片复合材料涂层必要性浅析

摘要:通过讨论垂直轴式风电机的工作环境和叶片金属材料的分析,并通过对比没有涂层材料和有涂层材料的不同情况下,叶片在各种环境条件下工作得到的实验结果,得到在实际工况下对风电机叶片进行涂层是必要的。

关键词:垂直轴式风电机涂层材料

当今世界,石油和煤等化石能源的大量消耗,使得它们的存储量严重减少。根据经济学家和科学家们的普遍估计,到本世纪中叶,也即2050年左右,石油资源将会开采殆尽,其价格升到很高,不适于大众化普及应用的时候,如果新的能源体系尚未建立,能源危机将席卷全球,尤以欧美极大依赖于石油资源的发达国家受害为重。最严重的状态,莫过于工业大幅度萎缩,或甚至因为抢占剩余的石油资源而引发战争,想必这是我们所有人都不愿意看到的。为了应对石油等化石能源可能引起的能源危机甚至由其引起的工业危机,世界上许多国家都在积极的开展光能、核能、风能、水能、地热能、潮汐能和生物质发电等方面的研究,并且取得了不错的成绩,本文仅讨论有关风能的一些问题。

1 风能的发展现状

根据有关统计,全球的风能资源约为2.74×109 MW,其中可利用的风能为2×107 MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。国际上一些大的传统能源公司和机械制造公司也开始介入到该能源领

域,并进入行业的领先行列。在德国、美国与西班牙,风电装机分别达到了1460万千瓦、637万千瓦与620万千瓦。就连风能开发起步晚于我国近10年的印度,风电产业化也已初具规模。据全球风能协会(GWEC)统计,到2006年底,中国的风电装机达到260万千瓦,占世界风电装机的3.5%。中国在2006年新增装机容量134.7万千瓦,仅占世界全年新增装机的8.9%。由以上数据可以得到,风能的利用是有非常美好的前景的。

2 风能发展面临的一些问题

众所周知,风电机一般是架设在环境比较恶劣的地方。以我国为例,我国的风机大多架设在风沙严重的西北地区或是盐度很高的沿海地区。因此,对风机的要求是很高的,尤其是风机的叶片。这不仅要求风机叶片具有很高的强度、硬度、韧性等常规的物理特性,而且需要具有抗酸腐蚀和耐磨等的性能。

3 强化风机叶片的一些方法

在现有的技术条件下,主要有几种方法来对风机的叶片进行强化。其中,利用表面涂层的方法是一种比较常用的方法。所以,我们对风机的叶片进行了一些试验,以讨论风机叶片在有涂层材料的情况下所具有的优良性质。

4 对风机叶片的试验

我们对风机叶片进行了如下的试验:首先,我们将未经焊接的风机叶片的一些小片进行了修整,将它们修整成形状和大小基本相同的一片片。然后,我们将这些小片进行了分组。我们将它们分成了两组,将其分别标号为组别一和组别二,每一组里面有三个小薄片,也将其分别标号1-3。接下来,我们将组别一里面的各个薄片都涂上了环氧树脂材料,而组别二里面的各个薄片没有涂环氧树脂材料。最后我们将标号为1的两组里面的小薄片置于与低酸性的环境中,将标号为2的两组里面的小薄片置于海水当中,进行一段时间的保持,然后将两组里面的金属薄片取出进行金相分析。将标号为3的两组里面的小薄片进行模拟风沙试验。实验的具体内容(如风机叶片材料的选择、涂层材料的制备等)在此不进行详细论述。

通过实验,我们得到了如下的一些结论。

(1)与不进行涂层的金属薄片相比,涂了环氧树脂材料的金属薄片的抗酸性能更加优越;(2)与不进行涂层的金属薄片相比,涂了环氧树脂材料的金属薄片的抗海水腐蚀性性能更加优越;(3)与不进行涂层的金属薄片相比,涂了环氧树脂材料的金属薄片的耐磨损性能更加优越。

综合我们的实验结果可得经过环氧树脂材料涂层的风机叶片具有更加优越的综合性能。

本实验采用的是控制变量的方法,通过控制某一单一变量来研究

其对研究对象的影响。当然,受到条件的限制,我们只进行了小样本容量的实验,而且也只选用了环氧树脂材料,没有进行其他涂层材料的实验,其结果具有一定的偶然性,但仍然可以从中看出一些结果的必然性。

5 结语

鉴于我们进行实验得到的结果,我们可以得到对风电机的叶片进行涂层是必须而且必要的,故而虽然现在世界上的大部分的风机叶片所选用的涂层材料不尽相同,但是都基本应用了涂层材料。随着风机叶片的发展,叶片长度的不断增大,单纯金属的风机叶片在某些条件下已经不能完全满足其运行的要求,而采用符合性能的单一金属材料必然会极大的增加风机的制造成本而进一步增加风电的成本,这在追求经济效益的今天肯定是不可取的。而使用复合材料对风机叶片表层进行填涂,可以减少生产成本,从而提高生产效益。当然,利用复合材料进行涂层也会相应地带来一些问题,我们需要考虑退役叶片的处理问题。目前使用的复合材料风机叶片大多数是采用热固性树脂制造的,废弃的叶片的回收和处理主要通过物理粉碎、化学分解、生物降解等方法,但是难以回收再利用。我国对废弃物的处理主要采取填埋和焚烧,这种方法更加会破坏土壤,污染环境。针对这种情况,有关设计人员可以考虑改进复合材料的合成方法,另外随着科学技术的发展,这方面的影响可以得到尽可能的降低。综合所有因素,最终可得风电机叶片复合材料涂层必要性,并且有着十分美好的应用前景。

参考文献

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