由于風力發電向大功率、長葉片方向發展,除了要求提高材料的性能之外,葉片結構更要不斷地更新設計。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,從設計角度可以在風力作用的反方向將葉片設計成預彎曲外形,然后在風力作用下使預彎曲葉片變直。又如,在葉片結構設計中采用“彎曲·扭轉”耦合效應,實現控制載荷和應力,最終達到降低載荷峰值并減少疲勞破壞的目的。
目前市場上的風機葉片基本上是預扭結構,這樣可以使葉片在工作時能使所有旋轉部位都較大的升阻比(升力系數與阻力系數之比)。同時為了工藝方便,基本上都是沿著葉片軸向鋪設纖維。
“彎·扭”耦合是當今風力發電機FRP葉片結構設計的主要思想。為了提高葉片的性能,很多人提出了沿葉片長度方向偏置一定角度鋪設單向CF層,稱之為“偏軸CF”,這樣可以通過“彎·扭”耦合效應使結構的最大應力方向與CF的鋪層方向一致,發揮CF拉抻強度高的優點,提高結構的安全性。但是這種結構設計也帶來了一定問題:其一是偏軸纖維鋪層比較困難;其二是偏軸纖維會在蒙皮的結合部位發生斷層和扭曲,這會大大降低蒙皮粘合后結構的強度,很容易在鋪設纖維時產生剪切,這可能會在樹脂內產生附加應力,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、避免纖維斷層的基礎上,M Zuteck提出一種新穎的葉片結構形式,采用“掃略式”的結構使葉片尖部在弦線方向有一定扭轉角度,使葉片看起來像個“彎刀”狀結構。這種結構可在工作時產生彎矩引起一定扭轉,以實現控制載荷和應力,最終達到降低載荷峰值并減少疲勞破壞的目的。
最近,美國Sandia國家實驗室與圣地亞哥Knight&Carver公司合作,研發設計出一種新型風機葉片。研究人員承諾這種設計將會比目前的設計更有效,而且可以大幅度降低低風速地區的風機能源成本。這種名為“STAR”的葉片的最大特點是葉尖逐漸彎曲。這不同于目前使用的大多數巨大的葉片,是專門為低風速地區設計的。這些低風速地區高空10m處所測的年均風速約為5.8m/s。美國低風速地區很廣,這些地區對風能的利用可使風能的可經濟利用面積增加20倍。Sandia國家實驗室葉片設計研究負責人Tom-Ash-will稱,這種設計可以使葉片比傳統設計更有彎曲度,從而減少颶風對葉片造成的損壞。
4 結語
FRP以其輕質、耐腐蝕和高拉伸彈性模量一直是風力發電機葉片最理想的材料。近年來商業化生產的風機葉片尺寸增長迅速,這為風機從自然界中汲取更多能量提供更好的條件。隨著風機葉片的大型化,勢必尋求葉片的輕量化及長壽化,而GFRP在其強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。隨著全球對綠色能源的需求的不斷提高,風電市場逐漸成熟和壯大,FRP在風機葉片上的應用前景也會越來越廣。